計(jì)算機(jī)視覺賦能中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)研究

徐旭 王全蘭

摘要：計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)是人工智能重要的技術(shù)手段之一，作者通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在中小學(xué)科學(xué)、物理、化學(xué)、生物和地理等實(shí)驗(yàn)學(xué)科的應(yīng)用，提出計(jì)算機(jī)視覺實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，嘗試開展“人工智能+中小學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)設(shè)計(jì)研究，并給出了計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)賦能中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的合理化教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：人工智能;計(jì)算機(jī)視覺技術(shù);實(shí)驗(yàn)教學(xué);中小學(xué)

中圖分類號(hào)：TP309? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）08-0081-05

● 引言

2017年7月，國務(wù)院在印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出要“實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育”。[1]2019年11月30日，教育部發(fā)布的《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》明確指出：“注重加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與多學(xué)科融合教育、編程教育、創(chuàng)客教育、人工智能教育、社會(huì)實(shí)踐等有機(jī)融合，有條件的地區(qū)可以開發(fā)地方課程和校本課程?！盵2]可見，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)十分有必要。

● 研究綜述

加拿大多倫多大學(xué)杰弗里·欣頓教授在計(jì)算機(jī)視覺比賽上將深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到計(jì)算機(jī)識(shí)別圖像中，計(jì)算機(jī)識(shí)別圖像能力提高了十幾個(gè)百分點(diǎn)。計(jì)算機(jī)視覺是一個(gè)跨領(lǐng)域交叉學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和心理學(xué)相關(guān)知識(shí)，Ballard&Brown將計(jì)算機(jī)視覺定義為從圖像中構(gòu)造出對(duì)物理對(duì)象的明確而有意義的描述。[3]計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)是人工智能重要的技術(shù)手段之一，是從現(xiàn)實(shí)世界的圖像信息中提取數(shù)字式或符號(hào)式的信息。[4]

隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿造生物的視知覺（visual perception）機(jī)制構(gòu)建，以計(jì)算機(jī)視覺為代表的人工智能技術(shù)日益成熟，開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、自動(dòng)駕駛、智能安防等領(lǐng)域。在教育應(yīng)用中主要集中在高等工程教育、課堂行為觀察等領(lǐng)域，如孫浩[5]、李壽杰[6]在高等工程教育領(lǐng)域進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)課程的開發(fā)和應(yīng)用，賈鵬宇[7]、徐家臻[8]、孫眾[9]、趙春[10]等將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用在課堂行為觀察中。在中小學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用目前還在探索階段，如宋曉玉[11]在中小學(xué)課堂中讓學(xué)生體驗(yàn)人臉識(shí)別、人體分析、圖像識(shí)別和文字識(shí)別等。

● 研究框架

計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)賦能中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本質(zhì)，就是將人工智能技術(shù)應(yīng)用于學(xué)科教學(xué)。本研究選取涉及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的中小學(xué)學(xué)科，主要是中學(xué)（包括初中、高中）物理、化學(xué)、生物、地理和小學(xué)科學(xué)（部分省市開設(shè)初中科學(xué)）。尤其以新課程標(biāo)準(zhǔn)的高中物理、化學(xué)、生物和地理學(xué)科為例，以“信息技術(shù)”為關(guān)鍵詞，檢索上述四個(gè)學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)方案，得出“信息技術(shù)”出現(xiàn)的頻次和涉及信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合的具體內(nèi)容（如表1）。

根據(jù)清華大學(xué)姚期智教授主編的《人工智能》（高中版）列舉的視覺識(shí)別任務(wù)，本研究選取光學(xué)符號(hào)識(shí)別、語義分割、圖片分類、運(yùn)動(dòng)捕捉等運(yùn)用到中小實(shí)驗(yàn)教學(xué)中（如圖1）。

1.光學(xué)符號(hào)識(shí)別

使用計(jì)算機(jī)視覺的光學(xué)符號(hào)識(shí)別功能，識(shí)別不限于文字、數(shù)字、特殊符號(hào)等有意義的信息輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行有監(jiān)督學(xué)習(xí)或者無監(jiān)督學(xué)習(xí)，從而進(jìn)行專家決策等。光學(xué)符號(hào)識(shí)別可以讓中小學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加迅速獲取、反饋和評(píng)價(jià)。常用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符號(hào)識(shí)別包括物理實(shí)驗(yàn)中的速度、加速度、動(dòng)能、動(dòng)量等，化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的物質(zhì)的量、體積、密度等，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的植物群落、指數(shù)增長、微生物、細(xì)胞和分子等，地理實(shí)驗(yàn)的傾角、方向、氣溫、人口、城市化率等。光學(xué)符號(hào)識(shí)別還可以直接從實(shí)驗(yàn)教輔資料、手寫體資料，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以編輯的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，極大地改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)記錄方式。

2.語義分割

語義分割，將圖片中的每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的物體標(biāo)注出來，即不同顏色代表不同語義。[12]計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)中語義分割與中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合在高中物理、化學(xué)、生物學(xué)和地理等學(xué)科廣泛應(yīng)用。例如，高中物理教學(xué)中的電磁波譜系統(tǒng)涉及可見光的顏色;高中化學(xué)廣泛運(yùn)用語義分割，不論是物理反應(yīng)的焰色反應(yīng)還是化學(xué)反應(yīng)的顯色反應(yīng)，都是以顏色為標(biāo)志物和指示劑，各種單質(zhì)、化合物和溶液的顏色是重要的推理和判斷的依據(jù);生物學(xué)涉及的顯色反應(yīng)更多，如糖類、蛋白質(zhì)、脂肪的鑒定;地理上通過顏色辨別巖石礦物等。

3.圖片分類

圖片分類，識(shí)別圖片中的主體物體，是一種通過機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等支持的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)。結(jié)合中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況以及生活中常見智能手機(jī)軟件，介紹可以運(yùn)用圖片分類進(jìn)行物理、化學(xué)、生物、地理實(shí)驗(yàn)的可行性。例如，物理教學(xué)中可以使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行物體識(shí)別、速度識(shí)別，化學(xué)教學(xué)中使用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)識(shí)別常見化學(xué)物質(zhì)，生物學(xué)使用“花伴侶”軟件認(rèn)識(shí)常見的植物，地理教學(xué)中使用“卦天氣象”軟件進(jìn)行云狀識(shí)別，這些都是通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)賦能中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段（如下頁表2）。

4.運(yùn)動(dòng)捕捉

運(yùn)動(dòng)捕捉，即通過在人身上安裝傳感器等方式，捕捉人的行為，并通過計(jì)算機(jī)生成虛擬形象對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。[13]使用運(yùn)動(dòng)捕捉的方式，可以獲得中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的學(xué)生行為，進(jìn)而獲得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程性資料，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“檔案袋評(píng)價(jià)”等。

此外，還有物體檢測(cè)，光流估計(jì)、攝影旅行、三維場景重建、自動(dòng)駕駛、圖片風(fēng)格變換等技術(shù)，可以與中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合。

● 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理

計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)是一門研究如何使機(jī)器“看”的科學(xué)，即指用攝影機(jī)和電腦代替人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和測(cè)量等機(jī)器視覺，并進(jìn)一步做圖形處理，使之成為更適合人眼觀察或傳送給儀器檢測(cè)的圖像。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，加入有監(jiān)督學(xué)習(xí)或者無監(jiān)督學(xué)習(xí)，講述輸入圖像的信息，經(jīng)過隱層的計(jì)算，進(jìn)而在輸出層輸出結(jié)果。

2.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件部分主要有編程控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、信息輸出系統(tǒng)、巖石識(shí)別系統(tǒng)。

（1）編程控制系統(tǒng)

使用筆記本電腦（預(yù)裝Windows10家庭中文版），打開編程語言mPython0.5.4，調(diào)取內(nèi)置的（N+）小方舟AI程序，結(jié)合掌控板進(jìn)行編程。

（2）圖像采集系統(tǒng)（小方舟AI模塊）

小方舟AI視覺模塊內(nèi)置AI硬件加速單元（KPU、FPU、FFT等），可實(shí)現(xiàn)各類場景的本地視覺算法，這里主要是識(shí)別顏色對(duì)應(yīng)的語義，原理是使用小方舟AI視覺模塊進(jìn)行比色卡顏色識(shí)別，識(shí)別到不同的顏色，RGB燈亮對(duì)應(yīng)的顏色。步驟如下：第一步，小方舟初始化，并將模式切換到顏色模式;第二步，學(xué)習(xí)顏色以及識(shí)別順序，ID0（身份證標(biāo)識(shí)號(hào)，下同，開源硬件常見縮寫）是綠色，ID1是黃色，ID2是粉色;第三步，編寫其他ID的判斷語句，重復(fù)執(zhí)行相關(guān)程序。

（3）信息輸出系統(tǒng)（掌控板）

掌控板是MicroPython微控制器板，支持mPython軟件上的各種功能，具有很好的開源性，可以兼容小方舟AI，并能夠通過讀取灰度值，并進(jìn)行計(jì)算編程，輸出運(yùn)算結(jié)果。

（4）巖石識(shí)別系統(tǒng)

登錄地質(zhì)云（GeoCloud）巖石智能（礦物）識(shí)別工具（試用版）網(wǎng)頁版，網(wǎng)址http：//ykai.cgs.gov.cn/。師生通過上傳本地圖片或者填入網(wǎng)絡(luò)圖片地址就可進(jìn)行識(shí)別分析。

3.“常見巖漿巖的認(rèn)識(shí)和鑒定”案例設(shè)計(jì)

本研究選取高中地理選修Ⅱ-9地理野外實(shí)習(xí)模塊內(nèi)容，選?、?9.5識(shí)別主要造巖礦物和常見巖石，認(rèn)識(shí)不同性質(zhì)巖石對(duì)地貌發(fā)育的影響，以“常見巖漿巖的認(rèn)識(shí)和鑒定”為例，進(jìn)行人工智能與地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合探究。

（1）實(shí)驗(yàn)裝置（如圖2）

具體過程如下：

①計(jì)算機(jī)連接掌控板，進(jìn)行圖形化編程、信息輸入、數(shù)據(jù)計(jì)算及讀取。

②掌控板連接小方舟AI視覺模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳授、獲取，掌控板顯示小方舟AI計(jì)算獲取的相關(guān)信息，使用杜邦線將小方舟、掌控板（含拓展板白靈鴿）接在一起，組成簡易計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別裝置。

③小方舟AI獲取比色帶信息，進(jìn)行記錄，并反饋給計(jì)算機(jī)。

④小方舟AI識(shí)別實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)灰度，并反饋給掌控板，顯示結(jié)果。

⑤小方舟AI輸出圖像給計(jì)算機(jī)，登錄地質(zhì)云巖石智能識(shí)別工具（試用版），進(jìn)行巖石識(shí)別。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

地理實(shí)踐力：通過計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別技術(shù)，掌握常見巖漿巖的分類，區(qū)分花崗巖、玄武巖、安山巖等，并通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和具體操作鍛煉地理實(shí)踐力。

綜合思維：通過融合開源硬件和視覺識(shí)別技術(shù)，運(yùn)用人工智能識(shí)別器，鍛煉跨學(xué)科思維和綜合思維。

區(qū)域認(rèn)知：通過野外實(shí)習(xí)考察，掌握常見礦物形成環(huán)境，增強(qiáng)區(qū)域認(rèn)知。

（3）實(shí)驗(yàn)過程

使用計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別技術(shù)，認(rèn)識(shí)巖漿巖，并進(jìn)行分類。具體實(shí)驗(yàn)過程如下。

①情境導(dǎo)入。

教學(xué)內(nèi)容：教師展示幾款A(yù)I識(shí)花軟件，識(shí)別身邊的花朵，啟發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能的好奇心。提問：能不能做一個(gè)裝置識(shí)別常見巖石？要求學(xué)生閱讀課本知識(shí)，小組合作填寫常見的巖漿巖分類，如花崗巖、玄武巖、輝巖。了解掌控板、小方舟AI軟件以及初步的編程知識(shí)。

學(xué)生活動(dòng)：通過合作學(xué)習(xí)常見巖石分類知識(shí)。

環(huán)節(jié)目標(biāo)：以真實(shí)案例為情境，運(yùn)用演示，啟發(fā)好奇心。

②實(shí)驗(yàn)探究。

教學(xué)內(nèi)容：一是明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，識(shí)別幾種常見的巖漿巖。二是學(xué)生分組，進(jìn)行AI賦能實(shí)驗(yàn)。使用AI裝置進(jìn)行識(shí)別，學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作與數(shù)據(jù)記錄，使用巖石顏色對(duì)比色帶，將巖漿巖顏色大致分為三類，淺色的是花崗巖，深色是玄武巖，中間色是安山巖。過程：a.使用有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)，通過判別灰度，規(guī)定不同巖石的灰度范圍，從而獲得巖漿巖識(shí)別常用知識(shí);b.使用掌控板連接小方舟AI裝置，將識(shí)別出的信息顯示在掌控板上;c.使用筆記本電腦對(duì)掌控板進(jìn)行Python編程;d.計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別目標(biāo)巖石灰度，進(jìn)行判別。三是小組合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得出結(jié)論，展示。

學(xué)生活動(dòng)：合作實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄數(shù)據(jù)，分析結(jié)果。

環(huán)節(jié)目標(biāo)：通過實(shí)驗(yàn)探究，能夠說出三種類型的巖漿巖，通過顏色對(duì)比、顆粒大小對(duì)比、密度對(duì)比、提升地理實(shí)踐力。

③交流拓展。

教學(xué)內(nèi)容：講解其他計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別技術(shù)，并提供器材，引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)探究。

學(xué)生活動(dòng)：分組展示實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并參與討論。

環(huán)節(jié)目標(biāo)：通過分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，建構(gòu)人工智能技術(shù)背景下常見巖漿巖分類原理性知識(shí)。

④測(cè)評(píng)。

教學(xué)內(nèi)容：分發(fā)測(cè)評(píng)試題，并進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)。

學(xué)生活動(dòng)：限時(shí)完成習(xí)題。

環(huán)節(jié)目標(biāo)：測(cè)評(píng)掌握情況。

● 教學(xué)建議

1.使用人工智能技術(shù)融合中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

其一，滿足個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能獲取課本、教輔資料等片面和有限的知識(shí)內(nèi)容，不能滿足“因材施教”的個(gè)性化需要。而使用人工智能技術(shù)，增加了學(xué)生獲取知識(shí)的量，滿足了學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求。

其二，使實(shí)驗(yàn)過程實(shí)時(shí)生成“檔案袋評(píng)價(jià)”。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，無法便捷地完成實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)信息的整理匯總，尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生失敗嘗試等寶貴的過程性學(xué)習(xí)資料，記錄起來十分煩瑣。而結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，將學(xué)生所有的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)化，自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)“檔案袋評(píng)價(jià)”，有助于實(shí)驗(yàn)過程中的自評(píng)、他評(píng)、師評(píng)。

其三，利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可避免實(shí)驗(yàn)過程的危險(xiǎn)。部分化學(xué)實(shí)驗(yàn)會(huì)接觸易燃易爆物質(zhì)，通過計(jì)算機(jī)視覺裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，可以避免師生受到傷害。

2.人工智能技術(shù)與中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合步驟

展望未來，人工智能技術(shù)與中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合可以分為三個(gè)步驟[14]：

第一步，師生將已經(jīng)開發(fā)的人工智能算法和硬件裝置與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合，此步驟需要師生掌握初步的圖形化編程知識(shí)和具有開源硬件搭建基礎(chǔ)。隨著人工智能教育師范專業(yè)的開設(shè)和國家人工智能素養(yǎng)師資培訓(xùn)的推廣，政府、企業(yè)和學(xué)校共同建設(shè)中小學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室的投入使用，相信該步驟實(shí)驗(yàn)教學(xué)很快就能實(shí)現(xiàn)。

第二步，師生使用已經(jīng)開發(fā)的人工智能算法，自己開發(fā)適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的硬件裝置。絕大部分非計(jì)算機(jī)專業(yè)的教師和學(xué)生，并不需要掌握人工智能的底層邏輯，只需要會(huì)運(yùn)用已經(jīng)開發(fā)的人工智能算法，結(jié)合先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)儀器傳感器，就可以開發(fā)新的人工智能賦能科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

第三步，師生共同開發(fā)新的人工智能算法應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。向麻省理工學(xué)院捐贈(zèng)了3.5億美元，用于建設(shè)Stephen A. Schwarzman計(jì)算學(xué)院的Stephen a. Schwarzman表示，人工智能學(xué)院的目標(biāo)是培養(yǎng)“教育未來的雙語者”，這里說的“雙語者”是指那些在生物、化學(xué)、政治、歷史和語言學(xué)等領(lǐng)域能夠熟練應(yīng)用人工智能技術(shù)的人們。[15]相信在未來更遠(yuǎn)的時(shí)間里，人工智能時(shí)代原住民能夠具備開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)人工智能新算法的能力。

3.人工智能技術(shù)與中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合層次

蔡曙山（2021）從人類心智和認(rèn)知層次將人工智能水平分為五個(gè)層次。[16]結(jié)合人工智能技術(shù)賦能中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以將各類傳感器、五感（計(jì)算機(jī)視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、味覺）融合，避免學(xué)生直接接觸實(shí)驗(yàn)帶來的各類危險(xiǎn)，也可以將各類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確化，保存實(shí)驗(yàn)過程的真實(shí)記錄，進(jìn)而進(jìn)行演繹推理和專家決策。同時(shí)，還要通過人工智能技術(shù)賦能實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，使學(xué)生手腦并用，保持好奇心，激發(fā)想象力。

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